(57)【要約】  【課題】強制空冷式チップ冷却装置の冷却片の熱伝導性向上。  【解決手段】  半導体デバイスなどのチップ平面に接して熱伝導する冷却片、底辺上に配列される複数の冷却フィンを備え、該底辺と相対する上辺との間に気流の通路を形成する冷却フィン、両端においてそれぞれ冷却片の面及び冷却フィンを形成した底面に接して熱伝導する導熱管、及び上記冷却フィンの気流の通路の吸気口に相対する排気口を有する送風装置からなり、  上記冷却片は、金属にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属、又は金属若しくはダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属からなる成形体にダイヤモンド状構造の炭素を被覆してなる強制空冷式チップ冷却装置。上記金属として、アルミ、銅、他の高熱伝導率の金属を適用する。  【選択図】図  ２
2006245577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスなどのチップ平面に接して熱伝導する冷却片、
気流の通路を形成する底辺と上辺との間に配置される複数の冷却フィン、
その両端においてそれぞれ上記冷却片の表面及び冷却フィンを配置した冷却フィン底辺に接して両者間で熱伝導する導熱管、
及び上記冷却フィンの気流の通路の吸気口に相対して排気口を配置した送風装置からなり、
上記冷却片は、金属にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属、又は金属若しくは金属にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属にダイヤモンド状構造の炭素を被覆してなることを特徴とする強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項２】
前記送風装置は、ファンであることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項３】
前記冷却フィンは、各フィンが底辺とこれに対する上辺との間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項４】
前記チップの平面は、チップの蓋面であることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項５】
前記チップの平面は、チップの底面であることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項６】
前記金属は、銅材質であることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項７】
前記金属は、アルミ材質であることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項８】
前記金属は、銀材質であることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項９】
前記金属は、熱伝導率の高い金属であることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項１０】
前記ダイヤモンド状構造の炭素は、ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項１１】
前記ダイヤモンド状構造の炭素の被覆は、化学気相成長法によって生成されてなることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項１２】
前記ダイヤモンド状構造の炭素の被覆は、物理気相成長法によって生成されてなることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項１３】
前記ダイヤモンド状構造の炭素の被覆は、電気泳動法によって生成されてなることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項１４】
前記ダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属は、溶融方式によって生成されてなることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項１５】
強制空冷式チップ冷却装置の製造方法であって、
気流の通路を形成する底面と上面との間に複数の冷却フィンを設け、
送風装置の排気口を該気流の通路の吸気口に相対して配置し、
溶融金属にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属により冷却片を形成、又は金属若しくは金属にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属により形成した形成体をダイヤモンド状構造の炭素を被覆して冷却片とし、
該冷却片を半導体デバイスなどのチップ表面上に接して配置し、
上記冷却フィン底面と該冷却片とにそれぞれ接して導熱管を配置して、チップから冷却フィンにいたる冷却用熱伝導経路を構成すること、
を特徴とする強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項１６】
上記送風装置は、ファンを備えることを特徴とする請求項１５に載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項１７】
上記冷却フィンは、底面及び上面の間に設置されてなることを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置。
【請求項１８】
上記金属が、銅であることを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項１９】
上記金属が、アルミであることを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項２０】
上記金属が、銀であることを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項２１】
上記金属が、熱伝導率が高い金属であることを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項２２】
上記ダイヤモンド状構造の炭素が、ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項２３】
上記のダイヤモンド状構造の炭素被覆の形成が、化学気相合成法（化学蒸着法）によるものであることを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項２４】
上記のダイヤモンド状構造の炭素被覆の形成が、物理気相合成法によるものであることを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項２５】
上記のダイヤモンド状構造の炭素による被覆の形成が、電気泳動法によるものであることを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【請求項２６】
上記金属にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属は、溶融した金属に金属にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合分散して形成することを特徴とする請求項１５に記載の強制空冷式チップ冷却装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスなどのチップに適用する強制空冷式チップ冷却装置及び該装置の作成方法に関する。特に金属素材及びダイヤモンド状構造の炭素を含めてなる熱伝導材料に関する製造方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイテク産業の高速発展に従い、電子部品が小体積化、高密度化及び高機能化に向かって発展している。さらに、必要とする機能が高くなるに伴って、発熱量も大きくなっている。発生した熱を適時に排除することができない場合、電子部品の機能は低下し、さらには、損傷をも引き起こしてしまう。そのため、冷却効率を引き上げる目的のために、色々な熱伝導材料が生産された。
公知の技術からも分かるように、冷却の技術としては冷却構造において応用される材料は銅あるいはアルミが主流である。しかし、近年のＣＰＵの高速化により、生成した高温に対し、アルミの冷却素材が対応できないために銅の冷却素材の冷却技術が生まれたが、銅は比重が大きいため、応用において制限を受けるために成型にするには不利である。また前述の二種類の材料は空冷方式によって冷却するため、チップの発熱量が５０Ｗ／ｃｍ2に達すると、銅とアルミでは熱伝導性の要求を満足させることができない。そのため、熱伝導性が高い冷却材料が必要になる。
【０００３】
図１に示すものは、一般的な電子部品の冷却装置の説明図であり、公知の技術の実施例の一つである。それは主に冷却片１１、冷却シート１２、導熱管１３、送風装置１４及び冷却フィン１５を備えてなる。
前記冷却片１１の素材は銅であり、その冷却片１１の下部表面部１１１には冷却シート１２が貼り付けられてなる。
該冷却シート１２は、アルミ材質であり、且つチップ１６の上の平面１６１と冷却片１１の下の表面１１１に接着されることにより、チップの動作時に生じる高温の廃熱を伝導する。さらに、冷却シート１２によって、廃熱を冷却片１１の下の表面１１１に伝導した後に廃熱を冷却片１１の上の表面１１２にある導熱管１３の熱源端１３１に伝導する。
該導熱管１３は銅材質であり、熱源端１３１の複数の冷却フィン１５と連結してなる冷却端１３２に対応してなり、並びに廃熱を冷却フィン１５に伝導する。
該冷却フィン１５の素材は銅であり、且つ廃熱を伝導する最後の箇所でもある。そのため、冷却フィン１５はファンを備えた送風装置１４と連結してなり、その送風装置１４によって、冷却フィン１５に送風して、高温の冷却フィン１５の温度を下げる。
上述の冷却装置によって、廃熱を排出することで、温度を下げる冷却効果を得る。以上が一般的な電子部品の冷却装置の冷却作用のパターンである。
【０００４】
これ以外に、既知材料の中で最も硬く、熱伝導率の最も高い物質であり、光の屈折範囲が広い等の優れた特性を具えるダイヤモンドは、工業上重要な材料の１つである。それと同時に、その熱伝導率は常温の下で銅の５倍であり、さらに高温時の熱膨張率が小さいため、冷却作用が最も高くなる。一般には、ダイヤモンドの冷却に優れた特性を利用して、ダイヤモンドの真偽を判断する。さらに現在ではダイヤモンド合成法について多くの異なる技術と製造工程が発展されており、その中でも炭化水素の化学気相合成法を利用するのが一般的であり、例えば、マイクロ波プラズマ化学気相合成法（Microwave Plasma enhance Chemical Vapor Deposition, MPCVD）、熱フィラメント気相化学合成法（Hot Filament Chemical Vapor Deposition, HFCVD）などを利用して、多結晶のダイヤモンド薄膜を製造（被覆）することができ、この多結晶のダイヤモンド薄膜は天然の単結晶ダイヤモンドと同じ特性を備える。
【特許文献１】特開２００６−５０３９号公報
【特許文献２】特開２００４−１０４１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
公知の構造には以下の欠点があった。
すなわち、公知の冷却の技術は冷却構造において応用される材料は銅あるいはアルミが主流である。しかし、近年のＣＰＵの高速化により、生成した高温に対し、アルミの冷却素材が対応できないために銅の冷却素材が用いられたが、比重が大きいために応用において制限を受け、また成型法においても制約が多い。また前述の二種類の材料は空冷方式によって冷却するため、チップの発熱量が５０Ｗ／ｃｍ2に達すると、銅とアルミによっては冷却の要求を満足させることができない。
本発明は、上記構造上の問題点を解決し強制空冷式チップ冷却装置及び装置の作成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決させるために本発明は下記の強制空冷式チップ冷却装置及び装置の作成方法を提供する。
それは熱伝導材料が銅、アルミ、或いは他の高熱伝導率の金属である金属及びダイヤモンド状構造の炭素が含まれる冷却片の装置に応用されてなり、
該ダイヤモンド状構造の炭素はダイヤモンドであり、さらにダイヤモンド状構造の炭素は金属の表面を覆う、或いは材料の中に加えられる、または上述した二つを同時に含むことに用いられてなる。
前記熱伝導材料の製造方法には、化学気相合成方法、物理気相合成方法、溶融、あるいは、他の材料製造方法が含まれてなる。
また、電子部品が小体積化、高密度化及び高機能化に対応して電子部品の廃熱の熱伝導性を向上するために本発明はチップの動作時に発生する熱による温度を大幅に下げ、冷却効率を向上する、チップの冷却に対して応用される熱伝導材料を提供する。
それ以外に、本発明はチップの部品の冷却に使用が限定されるものではなく、その他の熱伝導及び冷却に関する器具の装置に応用されることを含めてなることを特徴とする強制空冷式チップ冷却装置及び装置の作成方法である。
【発明の効果】
【０００７】
前記したように、本発明の熱伝導材料は銅、アルミ、或いは他の高熱伝導率の金属を素材とする金属及びダイヤモンド状構造の炭素であるダイヤモンドが含まれる冷却片の装置に応用されてなり、ダイヤモンドは金属の表面を覆う、または材料の中に加えられる、あるいは上述した二つを同時に含むことに用いられてなることとし、熱伝導材料の製造方法には、化学気相合成方法、物理気相合成方法、溶融、あるいは、他の材料製造方法が含まれてなる。
以上の製造方法によって形成されてなる冷却片によって、チップを動作して生成した熱を冷却片の上に伝導することで、チップの動作時に発生する高温の廃熱を吸収する効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図２に示されるように、本発明の実施例である強制空冷式チップ冷却装置中において、金属及びダイヤモンド状構造の炭素と結合した熱伝導材料によって形成されてなる冷却片２１の説明図であり、
前記冷却装置の動作は公知の冷却装置と同じであり、本発明の最適実施例では冷却片２１の素材がアルミ、銅、他の高熱伝導率の金属、又は金属及びダイヤモンド状構造の炭素であるダイヤモンドを結合した材料であるとし、
前記冷却片２１下部表面部２１１と図１のチップ１６上部平面部１６１は冷却シート１２によって結合されてなり、並びに冷却片２１の下部表面部２１１と対応する上部表面部２１２がある。その熱伝導のパターンは、まず冷却片２１の下部表面部２１１とチップ１６上部平面部１６１が接する関係にあることによって、チップ１６を動作して生成した熱を冷却片２１上に伝導することによって、チップ１６の動作で生成した高温の廃熱を吸収する。
【０００９】
図３に示すものは、図１中の導熱管１３の説明図であり、
前記導熱管１３は、熱源端１３１を具えてなり、図２に示された冷却片２１の上部表面部２１２と相互に結合してなる。同じく、熱源端１３１に対応する冷却端１３２は、図１に示された複数の冷却フィン１５と結合してなり、それと同時に、導熱管１３に伝達された高温の廃熱を図２の冷却片２１に伝達する。
【００１０】
図４に示されるものは、公知技術の図１中の複数の冷却フィンの説明図であり、その中で、複数の冷却フィン１５は底辺に底面１５１を形成してなり、その底面１５１は図３に示された導熱管１３の冷却端１３２と結合してなる。また、複数の冷却フィン１５と対応した底辺の上辺には底面１５１に対応する上面１５２が形成されてなることにより、複数の冷却フィン１５と底面１５１及び上面１５２が吸気口１５３と排気口１５４を具えた気流の通路・導風路を形成し、気流が通路内を流動することにより、図３に示された導熱管１３から伝導された廃熱を運び去る。
【００１１】
図５に示されるものは、図１中の送風装置１４の説明図であり、
前記送風装置は、ファン構造であり、吸気口１４１、排気口１４２及び複数のファンブレード１４３を備える。
前記複数のファンブレード１４３の回転によって、吸気口１４１から空気を吸引し、排気口１４２から排出するファン構造により気流を生じさせる。
前記送風装置１４は、図４に示された冷却フィン１５と結合することにより、気流を吸気口１５３に流す。さらに送風装置１４の回転によって生じた気流は排気口１４２に介して、空気を冷却フィン１５の吸気口１５３に伝導される。これによって、複数の冷却フィン１５に伝導してきた廃熱を運び去り、さらに、複数の冷却フィン１５の排出口１５４から空気と共に排出することによって冷却作用を全うする。
【００１２】
図６に示されるようにマイクロ波プラズマ化学気相合成の説明図であり、本発明の冷却構造の製造法の実施例の一つである。この実施例において、反応過程は反応させる混合気体を気体導入口６１から反応容器６６中に入れ、それと同時にマイクロ波生成システム６２から生成したマイクロ波によって気体の中にプラズマを発生させて化学反応を起こさせ、キャリッジ６４の上にあるアルミ、銅、その他の高熱伝導率の金属からなる冷却片などの成型体、又は金属にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属により形成した形成体６５の表面に次々に結合させることによってダイヤモンド薄膜を形成させる。そして余剰の気体は排気口を経由して排出されてなり、この反応過程によって、表面がダイヤモンドに覆われた熱伝導材料である図２に示しされた冷却片２１となる。
このように、熱伝導材料に含むダイヤモンド状構造の炭素は化学気相合成方法、あるいは、物理気相合成方法によって、金属の表面に形成することが可能である。
【００１３】
図７に示されるものは、本発明の実施例のイオン・ビーム・スパッタ法の説明図であり、本発明のさらなる冷却構造の製造方法の最適実施例として、イオン・ビーム・スパッタ法の説明図を示す。実施例において、この製造方法の過程としては、ダイヤモンド微粉末を圧縮成型してターゲット材７２とし、第一イオン銃７１の射出方向との角度が４５度ぐらいの所に置くことによって、第一イオン銃７１によってスパッタリングしたダイヤモンドの微粒子が第二イオン銃７３の前方まで達し、次に、第二イオン銃７３からダイヤモンドの微粒子に十分なエネルギーを与えて分散させて金属材料の基板７４、又は金属にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を混合した金属により形成した形成体７４の表面を覆うことにより、均等なダイヤモンド薄膜を形成する。この時、余剰のダイヤモンドの微粒子は排気口７５から排出される。
上述の製造方法によって、表面がダイヤモンドに覆われた熱伝導材料である図２に示された冷却片２１が形成されてなる。
また、上述の実施例の化学気相合成及び物理気相合成による製造方法の外に、電気泳動法や溶解等の製造方法による材料の製造方法によって金属及びダイヤモンド状構造の炭素を含めた熱伝導材料を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】公知技術の一般的な電子部品の冷却装置の説明図である。
【図２】本発明の実施例である強制空冷式チップ冷却装置中において、金属及びダイヤモンド状構造の炭素と結合した熱伝導材料によって形成されてなる冷却片の説明図である。
【図３】公知技術の図１の中の伝熱管の説明図である。
【図４】公知技術の図１の中の複数の冷却フィンの説明図である。
【図５】公知技術の図１の中の送風装置の説明図である。
【図６】本発明の実施例のマイクロ波プラズマ化学気相合成の説明図である。
【図７】本発明の実施例のイオン・ビーム・スパッタ法の説明図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  公知の電子部品の冷却装置の説明図
１１  冷却片
１１１  下部表面部
１１２  上部表面部
１２  冷却シート
１３  導熱管
１３１  熱源端
１３２  冷却端
１４  送風装置
１５  冷却フィン
１６  チップ
１６１  上部平面部
２  強制空冷式チップ冷却装置のヒートスプレッダの説明図
２１  冷却片
２１１  下部表面部
２１２  上部表面部
３  伝熱管の説明図
１３１  熱源端
１３２  冷却端
４  冷却フィンの説明図
１５１  底面
１５２  上面
１５３  吸気口
１５４  排気口
５  送風装置の説明図
１４１  吸気口
１４２  排気口
１４３  複数のファンブレード
６  マイクロ波プラズマ化学気相合成の説明図
６１  気体輸入口
６２  マイクロ波生成システム
６３  排気口
６４  キャリッジ
６５  金属素材
６６  反応容器
７  イオン・ビーム・スパッタ法の説明図。
７１  第一イオン銃
７２  ターゲット材
７３  第二イオン銃
７４  金属材料の基板
７５  排気口
【図１】
2006245577.tif 000003
【図２】
2006245577.tif 000004
【図３】
2006245577.tif 000005
【図４】
2006245577.tif 000006
【図５】
2006245577.tif 000007
【図６】
2006245577.tif 000008
【図７】
2006245577.tif 000009